Java, Go, Rustのメモリ管理手法の比較

Java, Go, Rustのメモリ管理⼿法の⽐較和⽥隆道 JJUG CCC 2025 Spring 2025/06/07

1 © LY Corporation 和⽥隆道 Wada Takamichi LINEヤフー株式会社コマースカンパニー
SC統括本部開発本部 #LINEギフトのサーバーサイドエンジニア #新卒3年⽬前回のJJUGでも発表しました︕ 新卒2年⽬エンジニアがLINEギフトの保守性を⾼めるために取り組んだこと

Todayʼs Agenda 2 © LY Corporation 1. メモリの役割 2. Java,
Go, Rustのメモリ管理⼿法 3. 負荷テストでパフォーマンス⽐較

発表の動機 © LY Corporation 3 l 普段の業務ではJavaを、ISUCONではGoを使っていたが、メモリがどのように管理されているか意識することは少なかった。GCを使っていることは知ってる l また、最近流⾏りのRustはGCがないらしい。どういうこと︖
l それぞれどのようにメモリ管理してるのか、それはどのようにパフォーマンスに影響するのか、知りたい︕ ⾔語ごとにメモリ管理⼿法がどのように異なるのか知りたい

伝えたいこと © LY Corporation 4 ⾔語ごとにメモリ管理⼿法が様々で⾯⽩い︕アツい︕ l Java: 世代別GC l
Go: エスケープ解析とシンプルなGC l Rust: Ownershipで管理してGC不要

メモリの役割 © LY Corporation 6 レジスタキャッシュメモリメインメモリ 2次記憶装置プログラム
変数速度容量⾼速低速⼤容量低容量

メモリの構造 © LY Corporation 7 テキスト領域静的領域ヒープ領域スタック領域 ︓プログラムを格納する領域
︓グローバル変数や静的変数を格納する領域 ︓動的に割り当てられる領域 ︓関数の引数・ローカル変数・戻り値を格納する領域

メモリの構造 © LY Corporation 8 テキスト領域静的領域ヒープ領域スタック領域 ︓プログラムを格納する領域
︓グローバル変数や静的変数を格納する領域 ︓動的に割り当てられる領域 ︓関数の引数・ローカル変数・戻り値を格納する領域ヒープとスタックの管理⼿法は⾔語によって様々でありパフォーマンスへの影響が⼤きい

Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 11 スタックヒープ

スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 12 personFnction main
args

スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 13 main args

スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 14 printAlice main
args

スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 15 printAlice main
args

スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 16 Alice name
age Alice 26 オブジェクトは基本的にヒープに割り当てられる printAlice main args

age Alice 26 オブジェクトは基本的にヒープに割り当てられる printAlice alice main args

age Alice 26 printAlice alice main args

スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 20 personFunction ヒープにオブジェクトが残る
Alice name age Alice 26 main args

age Alice 26 main args

age Alice 26 returnBob main args

スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 24 Bob name
age Bob 22 オブジェクトは基本的にヒープに割り当てられる Alice name age Alice 26 returnBob main args

age Bob 22 オブジェクトは基本的にヒープに割り当てられる Alice name age Alice 26 returnBob bob main args

age Bob 22 Alice name age Alice 26 returnBob bob main args

Bob name age Bob 22 Alice name age Alice 26 returnBob bob

Bob name age Bob 22 Alice name age Alice 26

スタックヒープ Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 30 main p
args Bob name age Bob 22 Alice name age Alice 26

age Bob 22 Alice name age Alice 26

Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 35 スタックヒープヒープに参照されないオブジェクトが残る→Garbage Collection(GC)が必要

Java: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 36 スタックヒープヒープに参照されないオブジェクトが残る→Garbage Collection(GC)が必要

ヒープ Java: Garbage Collection(GC) © LY Corporation 37 スタック object
object object object object var ⽬的はヒープの不要なオブジェクトを解放すること

object object object object スタックの変数からオブジェクトの参照を辿る var

object object object object 参照のないオブジェクトがある var

object object object object 参照のないオブジェクトがある→解放する var

object object object object var 参照のないオブジェクトがある→解放する

object object var 参照のないオブジェクトがある→解放する

object object var また、Javaでは世代別という⼯夫を⽤いてGCを効率化している

Java:世代別GCによる効率化 © LY Corporation 47 Eden Old Survivor Survivor ヒープを固定サイズのリージョンに分割して管理する
✱ Java9以降でデフォルトのG1GCについて説明

Java:世代別GCによる効率化 © LY Corporation 48 Eden Old Survivor Survivor object
object オブジェクトはリージョンに割り当てられる ✱ Java9以降でデフォルトのG1GCについて説明

Java:世代別GCによる効率化 © LY Corporation 49 Eden Eden Old Survivor Survivor
リージョンは⽣存期間に基づいて世代に分類される ✱ Java9以降でデフォルトのG1GCについて説明 Eden Survivor Old

Java:世代別GCによる効率化 © LY Corporation 50 Eden Eden Old Survivor Survivor
若いリージョンを優先的にGCする(世代別GC) ✱ Java9以降でデフォルトのG1GCについて説明 Eden Survivor Old

Java:世代別GCによる効率化 © LY Corporation 51 Old Eden Eden Survivor Survivor
若いリージョンを優先的にGCする(世代別GC) Eden Survivor Old

Survivor Java:世代別GCによる効率化 © LY Corporation 52 Old Eden Eden Survivor
Survivor 不要オブジェクトを解放し、⽣存するオブジェクトはリージョンに集約する Eden Survivor Old

Java:世代別GCによる効率化 © LY Corporation 53 Old Survivor Survivor Survivor 不要オブジェクトを解放し、⽣存するオブジェクトはリージョンに集約する
Eden Survivor Old

Java:世代別GCによる効率化 © LY Corporation 54 ⼤部分のオブジェクトは短命であるという特性を利⽤することで効率化 ✱ Java9以降でデフォルトのG1GCについて説明⼤部分のオブジェクトは短命[1]

Javaのメモリ管理⼿法: まとめ © LY Corporation 55 l オブジェクトは基本的にヒープに割り当てられる l 不要になったオブジェクトを解放するためにGCを⾏う
l 若いオブジェクトを優先的にGCすることで効率化(世代別GC) 世代別GCで効率的に不要オブジェクトを解放

スタックヒープ Java:オブジェクトの割り当て⼿法 © LY Corporation 56 Bob name age
Bob 22 Alice name age Alice 26 Bob alice オブジェクトは基本的にヒープに割り当てられる

Go:オブジェクトの割り当て⼿法 © LY Corporation 57 スタックヒープ Alice name old
Alice 26 alice bob エスケープ解析でスタックとヒープのどちらに割り当てるか決める Bob name old Bob 22 ✱ JavaでもJITコンパイラで実⾏時にエスケープ解析するがGoほど積極的には働いていない

Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 58 スタックヒープ

Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 59 スタックヒープ main

Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 61 スタックヒープ printAlice main

Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 62 スタックヒープ printAlice main

Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 63 スコープからエスケープしないオブジェクトはスタックに割り当てるスタックヒープ printAlice
main Alice name age Alice 26

Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 64 スコープからエスケープしないオブジェクトはスタックに割り当てるスタックヒープ printAlice
alice main Alice name age Alice 26

スタックヒープ Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 65 printAlice alice
スコープからエスケープしないオブジェクトはスタックに割り当てる main Alice name age Alice 26

Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 66 スタックヒープ printAlice alice

Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 67 スタックヒープ printAlice alice

Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 70 スタックヒープ main returnBob

スタックヒープ main Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 72 returnBob
スコープからエスケープするオブジェクトはヒープに割り当てる ✱ 実際にはインライン化によりエスケープしない扱いになってスタックに置かれることもある

スタックヒープ main returnBob Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 73
Bob name age Bob 22 スコープからエスケープするオブジェクトはヒープに割り当てる

スタックヒープ main returnBob Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 74
bob スコープからエスケープするオブジェクトはヒープに割り当てる Bob name age Bob 22

bob Bob name age Bob 22

Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 77 スタックヒープ main p
Bob name age Bob 22

Bob name age Bob 22

Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 80 スタックヒープ Bob name
age Bob 22

Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 81 ヒープに残るオブジェクトの数は少ないスタックヒープ Bob
name age Bob 22

Go: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 82 ヒープに残るオブジェクトの数は少ない→世代別を⾏わないシンプルなGC スタックヒープ Bob
name age Bob 22

Goのメモリ管理⼿法: まとめ © LY Corporation 83 エスケープ解析とシンプルなGC l エスケープ解析でオブジェクトをスタックとヒープのどちらに割り当てるか決める l
ヒープに残るオブジェクトの数は少ない l 世代別を⾏わないシンプルなGC

Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 84 スタックヒープ

Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 85 スタックヒープ main

Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 86 スタックヒープ main

スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 87 main printAlice

スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 88 main Alice
name age Alice 26 printAlice ヒープにオブジェクトを割り当てる ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化

スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 89 printAlice alice
ヒープにオブジェクトを割り当てる ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化 main Alice name age Alice 26

オブジェクトのOwnershipを変数aliceが持つ ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化 main Alice name age Alice 26

変数aliceが解放される ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化 main Alice name age Alice 26

Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 94 変数aliceが解放されるスタックヒープ ✱
サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化 printAlice alice main Alice name age Alice 26

Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 95 変数aliceが解放される→Ownershipを持つオブジェクトも解放されるスタックヒープ ✱
サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化 Alice name age Alice 26 printAlice alice main

Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 96 変数aliceが解放される→Ownershipを持つオブジェクトも解放されるスタックヒープ ✱
サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化 main

スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 99 Bob name
age Bob 22 returnBob ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化ヒープにオブジェクトを割り当てる main

スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 100 returnBob bob
✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化 main Bob name age Bob 22 ヒープにオブジェクトを割り当てる

スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 101 returnBob bob
✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化オブジェクトのOwnershipを変数bobが持つ main Bob name age Bob 22

スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 102 ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化
オブジェクトのOwnershipを変数bobが持つ main Bob name age Bob 22 returnBob bob

オブジェクトのOwnershipを変数bobが持つ main Bob name age Bob 22 returnBob bob

スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 104 main p
✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化オブジェクトのOwnershipが移動する Bob name age Bob 22

✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化変数pが解放される Bob name age Bob 22

スタックヒープ Rust: スタックとヒープの管理⼿法 © LY Corporation 109 main Bob
name age Bob 22 p ✱ サイズ固定のオブジェクトはスタックに割り当てられるがOwnershipの説明のために単純化変数pが解放される→Ownershipを持つオブジェクトも解放される

変数pが解放される→Ownershipを持つオブジェクトも解放される

ヒープにオブジェクトが残らない

ヒープにオブジェクトが残らない→GCが不要

Java, Go, Rustのメモリ管理⼿法: まとめ © LY Corporation 114 それぞれ異なる⼿法でメモリを管理している l
Java: 世代別GC l Go: エスケープ解析とシンプルなGC l Rust: Ownershipで管理してGC不要

負荷テストの概要 © LY Corporation 116 1KBのオブジェクトを1万個⽣成する関数(createObjects)の実⾏時間を⽐較する l ⽬的: メモリ管理⼿法の違いがパフォーマンスにどう影響するか⽐較すること l
設定: createObjectsを1000回実⾏する(メモリ8GB、CPU2コア) l 指標: createObjectsの実⾏時間

まとめ © LY Corporation 123 l Javaは世代別GC、Goはエスケープ解析とシンプルなGC、RustはOwnershipでGC不要 l 負荷テストでは、JavaはGCでスパイクが⽴つ、Goはヒープを使わないのでほぼ⼀定、 Rustは安定しているがヒープを使うので少しばらつく、と⾔う結果だった
l ⼀⽅で、それぞれ最適化の余地は⼗分にあるし、設定によって結果も変動する l Java: JVMパラメータ調整、他のGCアルゴリズム、JITコンパイラが効くように実装 l Go: (ヒープ使ってるなら)スタック使うように実装、GCパラメータ調整、アリーナ l Rust: スタック使うように実装、メモリアロケータの選択それぞれ異なる⼿法でメモリを管理しているそれによってパフォーマンスの特性が異なることも確認できた

参考⽂献 © LY Corporation 124 1. ORACLE ガベージ・コレクション・チューニング・ガイド 2. Garbage
First Garbage Collection (G1 GC) #jjug_ccc #ccc_cd6 3. Visualizing memory management in JVM(Java, Kotlin, Scala, Groovy, Clojure) 4. Go⾔語のGCについて - LINE Engineering 5. Getting to Go: The Journey of Goʻs Garbage Collector – The Go Blog 6. The Rust Programming Language

Java, Go, Rustのメモリ管理手法の比較

Java, Go, Rustのメモリ管理手法の比較

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